随着半导体器件向微型化和高集成化方向发展，传统三维（3D）铁电材料在厚度降低至纳米尺度以下时，因电荷屏蔽不全、表面重构、库伦作用弱化等原因，面临铁电性能衰减甚至消失的挑战。二维（2D）材料的兴起为克服这一问题提供了契机，尤其是过渡金属硫化物（如MoS₂）凭借其层状结构和独特的面内-层间耦合特性，成为研究的热点。然而，目前大部分研究集中在通过减薄传统铁电体或调控材料本征结构实现铁电性，缺乏对“滑移铁电”机制的深入理解。自2017年首次在双层h-BN中提出滑移诱导铁电性以来，该机制已在多种2D材料中获得验证，并被认为是一种广泛适用的新型铁电模式。尽管层数和晶体相对滑移铁电性已有一定探索，但对堆叠方式对铁电性能影响的系统研究仍较匮乏，尤其缺乏对非中心对称堆叠构型控制策略与铁电性能之间结构-性能关系的深入揭示。

基于此，天津大学胡文平教授、耿德超教授联合华中科技大学吴梦昊教授等人提出热梯度化学气相沉积（TGACVD）策略，实现了对三层MoS₂晶体不同堆叠构型（AAA、AAB、ABB、ABA）的精准合成与滑移铁电性能调控。该研究以“Tailored sliding ferroelectricity for ultrahigh fatigue resistance in stacked trilayer MoS₂ crystals”为题，发表在《Science Advances》期刊上。

1、采用TGACVD方法，原位调控三层MoS₂的堆叠顺序，实现AAA、AAB、ABB、ABA四种高质量构型的可重复制备。

2、AAA构型极化强度达0.110 μC/cm⟡，且在10¹¹次极化翻转后无明显衰减，创2D铁电体系疲劳寿命新纪录。

3、首次系统揭示多层MoS₂中堆叠序列与极化强度呈周期性峰谷变化的现象，并提出通用理论模型加以解释。

图1 三层MoS₂的滑移铁电机制与堆叠构型

在外加电场作用下，层间会发生相对滑移，从而使极化方向由初始的向下（−P）翻转为向上（+P）。这种极化翻转并非传统铁电材料中的畴翻转，而是通过范德华层之间的滑动实现，体现了滑移铁电的独特性。图中黄色球代表硫（S）原子，粉色球代表钼（Mo）原子，箭头方向表示极化方向。图1B则总结了本研究获得的四种可能的三层堆叠方式：AAA（纯3R相）、AAB（3R与Bernal混合相）、ABA（Bernal相）和ABB（3R与Bernal混合相）。

从对称性分析来看，这四种堆叠构型在三层体系中均不具备全局反演中心，因此理论上都可能表现出非中心对称结构。但实验证明，只有AAA、AAB和ABB表现出可切换的极化状态，而ABA构型虽然破缺了反演对称性，但无法实现可逆极化翻转，因此不具备铁电性。

图2 三层MoS₂四种堆叠构型的结构与光学表征

图2A-D为四种堆叠构型的原子分辨扫描透射电子显微镜高角环形暗场（STEM-HAADF）截面成像，清晰呈现了MoS₂的层间堆叠顺序及S-Mo键的空间取向。这种原子级别的可视化不仅验证了各构型的堆叠顺序，还揭示了AAB与ABB中存在局部反平行畴的结构特征，这会部分抵消净极化强度。图2E-H为二次谐波（SHG）信号分布图，直观反映了反演对称性破缺程度。AAA构型信号最强，颜色从蓝（弱）到红（强）反映了强度变化；AAB与ABB信号明显减弱，ABA最弱。

图2I-L为偏振分辨SHG图案，均呈六重旋转对称性，符合MoS₂六方晶格特征，但峰强度差异明显：AAA构型峰值最高且分布均匀，AAB与ABB次之，ABA最弱。这表明不同堆叠构型的反演对称性破缺程度直接影响SHG强度，并与铁电性强弱呈一致性。

图3 不同堆叠构型的MoS₂基铁电隧道结的铁电特性表征

图3A为MoS₂基铁电隧道结（FTJ）器件结构示意图，采用Au-MoS₂-Au垂直夹层结构，MoS₂为铁电层。图3B-D展示了AAA、AAB、ABB的极化—电压（P-V）回线，均表现出典型铁电滞回特性，AAA极化强度最大。图3E为I-V曲线，极化翻转时出现明显电流峰值，AAA信号最强。

图3F-H展示了不同频率下的P-V回线，频率升高会导致滞回回线收窄、极化减弱，反映出高频下偶极子无法充分响应电场翻转。图3I为极化翻转过程中的瞬态电流反转曲线，证明了快速极化切换的存在。图3J-L为泄漏电流密度—电压（J-V）曲线，均呈现典型的蝴蝶形回线，进一步验证了这些构型的铁电性。

图4 具有不同堆叠结构的基于MoS₂的铁电隧穿结（FTJ）的铁电行为与疲劳抗性

图4A-B比较了不同堆叠构型在不同电压与频率下的极化强度变化。AAA构型在相同条件下极化最高，但对频率变化最敏感；AAB与ABB极化相近且变化幅度较小。图4C将实验测得的极化值与第一性原理密度泛函理论（DFT）计算结果进行对比，吻合度极高，验证了理论模型的可靠性。图4D-F为疲劳寿命测试结果，三种非中心对称构型在10¹¹次极化翻转后仍保持极化强度无明显衰减，创二维铁电体系新纪录。

图4G-H将本研究与其他典型铁电器件的厚度—疲劳性能及厚度—应力时间关系进行对比，本研究在超薄厚度下依然保持卓越的疲劳性能。图4I揭示了一个重要发现：多层MoS₂中极化强度随堆叠序列呈现“峰谷”交替的振荡趋势，首次证实了堆叠工程可引入周期性极化调控规律。

图5 AAA、AAB和ABB堆叠构型的铁电翻转路径与能垒

图5A-C利用CI-NEB方法模拟了AAA、AAB、ABB三种堆叠构型的极化翻转路径。AAA存在三条可能路径，其中路径3能垒最低，且翻转过程中存在亚稳态，使总能垒降低；AAB与ABB翻转路径为单峰型直接过渡，无亚稳态。图5D-F为对应的能垒曲线，AAA的最低能垒优于另外两种构型。差分电荷密度分析显示，AAA极化值最大（1.828 pC/m），AAB与ABB接近且较低。这是由于不同堆叠序列导致的层间电荷转移与电荷分布不对称性差异所致。研究还提出了一个可预测不同层数极化强度的通用公式，并验证了极化与层数在小层数范围内近似线性关系，为二维铁电材料堆叠调控提供了理论基础。

本研究通过TGACVD实现了三层MoS₂的精准堆叠调控，系统揭示了堆叠构型对滑移铁电性的决定性影响。AAA构型不仅展现最高极化值，还表现出前所未有的超高疲劳寿命，证明了堆叠工程在二维铁电材料性能优化中的巨大潜力。首次观察到的极化强度振荡规律，为2D铁电体系提供了新的结构—性能调控维度。

来源：测试云平台公众号

DOI：10.1126/sciadv.adx8192